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摘要

近年来基于钙钛矿材料的太阳能电池以其优异的光电转换效率, 成为了最具有发展潜力的光伏器件. 受制于制备工艺及界面传输层的材料, 钙钛矿太阳能电池存在体内、界面缺陷和能级错位等问题, 导致非辐射复合损耗增加, 妨碍其效率进一步提升及工作稳定性. 因此, 降低能级错位及界面缺陷态等损耗对于实现高效钙钛矿太阳能电池至关重要. 本文研究了钙钛矿太阳能电池中双层电子传输层及其阶梯状导带结构对器件性能的影响, 揭示了活性层与传输层之间的导带偏移量对两者之间界面复合及性能提升的机理. 另外, 研究了体内与界面缺陷态密度对单层及双层电子传输层结构下电池性能的影响, 发现在高缺陷态密度下, 双层结构比单层结构具有更高的效率. 研究表明双层电子传输层结构不仅能改善界面能级错位损耗, 还可以降低电池性能受体内及界面缺陷影响, 对制备高性能太阳能电池具有指导意义.

关键词:

Abstract

With their excellent photoelectric properties, perovskite solar cells have become the most promising photovoltaic devices in recent years. However, owing to defects and energy level misalignment, the non-radiative recombination loss of the perovskite solar cell will increase, which hinders the its efficiency and operational stability from being improved further. Therefore, it is very important to reduce the loss caused by energy level misalignment for realizing high-efficiency perovskite solar cells. In order to solve the above-mentioned problems, perovskite solar cell with dual electron transport layer (ETL) is studied in this work. The dual-layer structure forms a stepped conduction band structure to reduce the conduction band offset between the active layer and the transport layer, which reduces the interface recombination between the two structures and improves device performance. In addition, the influences of the defect density on the cell performance for the two ETL structures are also discussed. With the continuous increase of the defect density, the performance of the single-layer structure decreases more obviously. While the dual ETL structure can alleviate the performance dependence on the defect density in comparison with the single ETL structure. Therefore, the use of dual ETL can improve the performance of perovskite solar cells and defect tolerance, which provides guidance for designing high-performance solar cells.

Keywords:

作者及机构信息

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通信作者:任信钢,xgren@ahu.edu.cn; 蔡雪原,cai_welcome@163.com;

基金项目:国家自然科学基金(批准号: 62171001, 61701003, 61901001, 61701001, U20A20164, 61871001, 61971001)、安徽省国家自然科学基金(批准号: 2108085MF198, 1808085QF179, 1908085QF259, 1908085QF251)、安徽高校协同创新项目(批准号: GXXT-2020-050, GXXT-2020-051, GXXT-2021-027)、安徽大学物质科学与信息技术研究院学科建设开放基金和安徽省博士后人员科研活动经费资助项目(批准号: 2019B348)资助的课题.

Authors and contacts

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Corresponding author:Ren Xin-Gang,xgren@ahu.edu.cn; Cai Xue-Yuan,cai_welcome@163.com;

Funds:Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 62171001, 61701003, 61901001, 61701001, U20A20164, 61871001, 61971001), the National Natural Science Foundation of Anhui Province, China (Grant Nos. 2108085MF198, 1808085QF179, 1908085QF259, 1908085QF251), the University Synergy Innovation Program of Anhui Province, China (Grant Nos. GXXT-2020-050, GXXT-2020-051, GXXT-2021-027), the Open Fund for Discipline Construction, Institute of Physical Science and Information Technology, Anhui University, China, and the Postdoctoral Science Foundation Founded Project of Anhui Province, China (Grant No. 2019B348).

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Layer properties	Spiro-OMeTAD	CH₃NH₃PbI₃	SnO₂	TiO₂
厚度L/nm	350^[25]	400^[26]	50^[27]	50^[27]
电子亲和能χ/eV	3.0^[25]	3.9^[26]	4.5^[23]	4.2^[23]
介电常数ε_r	3.0^[25]	6.5^[26]	9.0^[27]	9.0^[27]
禁带宽度E_g/eV	2.2^[25]	1.5^[26]	4.0^[23]	3.6^[23]
受主掺杂浓度N_A/cm^–3	1.0 × 10^18[25]	5.21 × 10^9[26]	0^[27]	0^[27]
施主掺杂浓度N_D/cm^–3	0^[25]	5.21 × 10^9[26]	1.0 × 10^18[27]	1.0 × 10^18[27]
电子迁移率μ_n/(cm²·V^–1·s^–1)	2.0 × 10^–4[25]	20^[26]	20^[27]	20^[27]
空穴迁移率μ_p/(cm²·V^–1·s^–1)	2.0 × 10^–4[25]	20^[26]	10^[27]	10^[27]
缺陷态密度N_t/cm^–3	1.0 × 10^13[25]	2.5 × 10^13[26]	1.0 × 10^15[27]	1.0 × 10^15[27]
导带有效密度N_c/cm^–3	2.2 × 10^18[25]	2.2 × 10^18[26]	2.2 × 10^18[28]	2.2 × 10^18[28]
价带有效密度N_v/cm^–3	1.8 × 10^19[25]	1.8 × 10^19[26]	1.8 × 10^19[28]	1.8 × 10^19[28]

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